Расщепление при прямой линейной поляризации¶
Расщепление при прямой линейной поляризации (ПРЛ) — явление, заключающееся в разделении поляризационных компонентов светового пучка или изменении их взаимного положения при прохождении через анизотропные среды, приборы или при отражении от поверхностей. Термин «ПРЛ» в оптике обычно расшифровывается как «прямая линейная поляризация» (иногда — «поляризация прямой линейной»), однако в отдельных отраслях (например, в спектроскопии или радиофизике) аббревиатура может использоваться в ином значении. Явление лежит в основе работы поляризационных приборов — поляризаторов, анализаторов, дублетов Волластаона, клиньев Фуко и других.
¶Физическая природа явления
Свет — поперечная волна, электрический вектор которой колеблется в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. В общем случае колебания вектора E могут быть произвольными; линейная поляризация означает, что вектор E остаётся в одной плоскости. Если пучок содержит две ортогональные линейно-поляризованные компоненты с разными фазами или амплитудами, то при прохождении через анизотропную среду они распространяются с разными скоростями (двойное лучепреломление) и могут быть пространственно разделены.
Расщепление при ПРЛ возникает в следующих основных случаях:
- Двойное лучепреломление в кристаллах (кварц, кальцит, исландский шпат): обыкновенный и необыкновенный лучи выходят из кристалла с угловым расхождением.
- Поляризационное разделение в призмах Волластаона и Фуко: два линейно-поляризованных луча выходят под разными углами.
- Отражение от поверхности с коэффициентами отражения, различными для s- и p-компонент (формулы Френеля).
- Прохождение через поляризационные плёнки и фильтры, где одна компонента поглощается или ослабляется.
¶Расщепление в кристаллах
В кристаллах с одиночным оптическим центром (например, в кварце) обыкновенный и необыкновенный лучи поляризованы ортогонально и распространяются с разными фазовыми скоростями. При выходе из параллельных граней кристалла лучи остаются параллельными, но смещёнными относительно друг друга; при выходе из клина — расходятся под углом, зависящим от угла призмы и показателя преломления.
В кальците (исландском шпате) двойное лучепреломление настолько велико, что обыкновенный и необыкновенный лучи заметно расходятся уже в тонкой пластинке. Именно это свойство кальцита было впервые описано Эразмом Бартолином в 1669 году и позднее объяснено Христианом Гюйгенсом и Исааком Ньютоном.
¶Поляризационные призмы
Поляризационные призмы — основной класс приборов, обеспечивающих расщепление при ПРЛ:
| Призма | Год | Принцип |
|---|---|---|
| Призма Николя | 1828 | Кальцит, склеенный гуммилаком, поглощает обыкновенный луч |
| Призма Волластаона | 1809 | Два клина кальцита, лучи расходятся симметрично |
| Призма Фуко | 1858 | Клин кальцита, один луч отражается на границе |
| Призма Глана — Томпсона | 1866 | Узкий угол, малое расхождение лучей |
Призма Волластаона даёт два линейно-поляризованных луча, выходящих под симметричными углами к оптической оси. Призма Фуко пропускает один луч, а второй отражается и поглощается. Призма Николя работает как поляризатор и анализатор одновременно.
¶Отражение и формулы Френеля
При отражении света от границы раздела двух сред коэффициенты отражения для s- и p-компонент различны. При угле Брюстера, определяемом формулой
tg φ_B = n₂ / n₁,
p-компонента полностью проходит в среду, а отражённый пучок становится полностью поляризованным в плоскости падения (s-компонент). Это явление используется в поляризационных отражателях и объясняет, почему поляризованные очки уменьшают блики от горизонтальных поверхностей.
¶Применение
Расщепление при ПРЛ применяется в:
- Поляризационной микроскопии — анализ минералов, полимеров, биологических тканей.
- Спектроскопии — измерение оптической активности, круговой поляризации.
- Лазерной технике — разделение ортогональных мод в резонаторах, поляризационные изоляторы.
- Когерентной оптике — поляризационные интерферометры, системы связи.
- Фотографии — поляризационные фильтры для управления отражениями и насыщенностью неба.
В лазерной технике поляризационные изоляторы на основе эффекта Фарадея и поляризационных призм предотвращают обратную связь отражённого света в активную среду.
¶Историческая справка
Явление двойного лучепреломления в кальците описано в 1669 году. Поляризация как свойство света установлена Этьеном Луи Малюсом в 1808 году (закон Малюса). Призма Волластаона создана в 1809 году, призма Николя — в 1828 году. Теоретическое описание поляризационных явлений дано в работах Огюстена Френеля (1820-е годы) и Джеймса Клерка Максвелла (1860-е годы).
¶Источники
- Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука, 1970.
- Ландсберг Г. С. Оптика. — М.: Наука, 1976.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. IV. Оптика. — М.: Физматлит, 2003.
- Френель А. Избранные работы по оптике. — М.: Гостехиздат, 1957.